JP5345172B2

JP5345172B2 - 車両用交流発電機の発電制御装置

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Publication number: JP5345172B2
Application number: JP2011074314A
Authority: JP
Inventors: 慎二西村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-03-30
Filing date: 2011-03-30
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2031-03-30
Also published as: JP2012210086A

Description

この発明は、車両用交流発電機の発電制御装置に関し、特に発電開始指令に対して界磁電流を車両用交流発電機の界磁巻線に速やかに供給することができる発電制御装置に関するものである。

従来の車両用交流発電機では、バッテリの電圧を昇圧して界磁コイルに供給して、発電開始時点からの電流増加速度を増大させていた（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−８２２８３号公報

従来の車両用交流発電機では、トランジスタと磁気エネルギー蓄積用のリアクトルとからなる昇圧チョッパ回路を用い、発電指令が発せられてから磁気エネルギーをリアクトルに蓄積し、リアクトルに蓄積された磁気エネルギーを界磁コイルに供給しているので、発電開始指令から発電開始までタイムラグが発生するという問題があった。

この発明は、このような課題を解決するためになされたものであって、発電開始指令に対する発電の応答性が高められる車両用交流発電機の発電制御装置を得ることを目的とする。

この発明による車両用交流発電機の発電制御装置は、車両用交流発電機により発電された電力が給電されるバッテリと、上記バッテリの電圧を昇圧する昇圧手段と、上記昇圧手段により昇圧された電圧を保持する電圧保持回路と、を備え、上記昇圧手段は、上記界磁巻線に流れている界磁電流を遮断する手段であり、上記電圧保持回路は、コンデンサと第１ダイオードとを有し、上記車両用交流発電機の発電を停止するために上記界磁巻線に流れている界磁電流を遮断した時に発生するサージ電圧を保持するように構成され、上記車両用交流発電機の発電開始時、該車両用交流発電機の界磁巻線に上記電圧保持回路から界磁電流を供給する。そして、直列に接続されたトランジスタと第２ダイオードを上記界磁巻線に並列に接続して構成され、上記コンデンサの電圧が該コンデンサの耐圧より低い所定の電圧を超えると上記トランジスタが閉成されて、該コンデンサへの給電を停止させるコンデンサ保護回路を備えている。

この発明によれば、発電開始時に、電圧保持回路に保持されている、バッテリの電圧を昇圧して得られた電圧が界磁巻線に供給されるので、界磁電流が瞬時に立ち上がり、発電開始指令に対する発電の応答性が高められる。

この発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機の発電制御装置を示す回路図である。この発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機の発電制御装置における界磁電流制御装置による発電制御方法を示すフロー図である。この発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機の発電制御装置における主制御装置による発電制御方法を示すフロー図である。この発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機の発電制御装置における界磁電流波形を示す図である。この発明の実施の形態２に係る車両用交流発電機の発電制御装置を示す回路図である。

以下、本発明による車両用交流発電機の発電制御装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機の発電制御装置を示す回路図、図２はこの発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機の発電制御装置における界磁電流制御装置による発電制御方法を示すフロー図、図３はこの発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機の発電制御装置における主制御装置による発電制御方法を示すフロー図、図４はこの発明の実施の形態１に係る車両用交流発電機の発電制御装置における界磁電流波形を示す図である。

図１において、発電制御装置は、エンジン（図示せず）によって駆動されて交流電力を出力する車両用交流発電機１と、車両用交流発電機１で発電された交流電力を直流電力に整流する整流器４と、車両用交流発電機１の界磁巻線３に界磁電流を供給する界磁回路と、界磁巻線３への界磁電流の供給／停止を制御する界磁電流制御装置７と、整流器４により整流された交流電力をバッテリ８に供給する配線９と、バッテリ８の電圧を昇圧する昇圧手段と、昇圧手段により昇圧された電圧を保持する電圧保持回路と、電圧保持回路を構成するコンデンサＣ１の過充電を防止するコンデンサ保護回路と、電圧保持回路に保持されている電圧を放出させる電圧放出回路と、界磁電流制御装置７、コンデンサ保護回路、および電圧放出回路の動作を制御する主制御装置１０と、を備えている。

車両用交流発電機１は、三相交流巻線２が固定子鉄心に巻装されてなる固定子と、界磁巻線３が装着され、固定子内に回転可能に配設された回転子と、を備えたランデル型交流発電機である。整流器４は、２つのダイオード５を直列に接続してなるダイオード対を並列に３つ接続したダイオードブリッジ回路からなる三相全波整流回路に構成され、三相交流巻線２に誘起される交流電力を直流電力に整流する。

界磁回路は、界磁巻線３と、トランジスタＴｒ１と、ダイオードＤｉ１と、を備えている。そして、界磁回路は、トランジスタＴｒ１のコレクタ端子がダイオードＤｉ１のアノード端子に接続され、エミッタ端子が接地され、ダイオードＤｉ１のカソード端子が分岐配線１１を介して配線９に接続され、界磁巻線３がダイオードＤｉ１と並列に接続されて、構成されている。なお、界磁巻線３への界磁電流の通電を制御するトランジスタＴｒ１は、界磁巻線３のローサイドに設置されている。

界磁電流制御装置７は、トランジスタＴｒ１のベース端子に接続され、バッテリ８の電圧Ｖｂに基づいて、トランジスタＴｒ１をＯＮ／ＯＦＦし、界磁巻線３への界磁電流の通電を制御する。
昇圧手段は、界磁巻線３に流れる界磁電流を遮断するトランジスタＴｒ１により構成されている。

昇圧保持回路は、コンデンサＣ１と、ダイオードＤｉ２と、を備えている。そして、電圧保持回路は、ダイオードＤｉ２のアノード端子がダイオードＤｉ１のアノード端子とトランジスタＴｒ１のコレクタ端子との接続点に接続され、ダイオードＤｉ２のカソード端子がコンデンサＣ１を介して配線９に接続されて、構成されている。
コンデンサ保護回路は、トランジスタＴｒ２と、ダイオードＤｉ１と、を備えている。そして、コンデンサ保護回路は、トランジスタＴｒ２のコレクタ端子がダイオードＤｉ１のカソード端子に接続され、エミッタ端子が界磁巻線３の端部に接続されて構成され、ベース端子に加わる主制御装置１０からの信号に応じて、ＯＮ／ＯＦＦされる。これにより、界磁巻線３は、直列に接続されたダイオードＤｉ１とトランジスタＴｒ２とに並列に接続される。

電圧放出回路は、トランジスタＴｒ３を備えている。そして、電圧放出回路は、トランジスタＴｒ３のコレクタ端子がダイオードＤｉ２のカソード端子とコンデンサＣ１との接続点に接続され、エミッタ端子が分岐配線１１に接続されて構成され、ベース端子に加わる主制御装置１０からの信号に応じてＯＮ／ＯＦＦされる。
ダイオードＤｉ３は、電流が配線９から界磁巻線３に流れるように分岐配線１１に配設され、コンデンサＣ１の逆流防止用として機能する。

主制御装置１０は、例えば自動車のＥＣＵからの外部指令（発電指令又は発電停止指令）に基づいて、界磁電流制御装置７にトランジスタＴｒ１をＯＮ／ＯＦＦ制御させ、かつトランジスタＴｒ３をＯＮ／ＯＦＦ制御する。また、主制御装置１０は、コンデンサＣ１の電圧Ｖａに基づいてトランジスタＴｒ２をＯＮ／ＯＦＦ制御する。

つぎに、界磁電流制御装置７の動作について図２を参照しつつ説明する。なお、図２では、便宜的に、ステップ１００〜ステップ１０２をＳ１００〜Ｓ１０１と示している。

まず、界磁電流制御装置７は、バッテリ８の電圧Ｖｂを監視し、電圧Ｖｂが所定の電圧Ｖ１を超えたか否かを判定する（ステップ１００）。そして、電圧Ｖｂが所定の電圧Ｖ１を超えたと判定すると、ステップ１０１に移行し、トランジスタＴｒ１のベース端子にＯＦＦ信号を出力し、トランジスタＴｒ１をＯＦＦとする。これにより、界磁巻線３への界磁電流の供給を停止され、車両用交流発電機１での発電が停止される。また、電圧Ｖｂが所定の電圧Ｖ１を超えていないと判定すると、ステップ１０２に移行する。ステップ１０２では、トランジスタＴｒ１のベース端子にＯＮ信号を出力し、トランジスタＴｒ１をＯＮとする。これにより、界磁巻線３に界磁電流が供給され、車両用交流発電機１が発電する。

車両用交流発電機１で発電された交流電力は、整流器４により直流電力に変換され、配線９を介してバッテリ８に給電され、バッテリ８の充電に供せられる。そして、バッテリ８が充電され、電圧Ｖｂが上昇して電圧Ｖ１を超えると、車両用交流発電機１による発電が停止される。また、バッテリ８に蓄積されている電力が放電され、バッテリ８の電圧Ｖｂが電圧Ｖ１を下回ると、車両用交流発電機１による発電が再開され、バッテリ８が充電される。このように、バッテリ８の電圧が一定となるように、界磁電流が制御される。

つぎに、主制御装置１０の動作について図３を参照しつつ説明する。なお、図３では、便宜的に、ステップ２００〜ステップ２０７をＳ２００〜Ｓ２０７と示している。

まず、初期状態として、車両用交流発電機１が発電状態とする。
主制御装置１０は、外部指令が発電停止指令であるか否かを判定する（ステップ２００）。そして、外部指令が発電停止指令であると、ステップ２０１に移行し、トランジスタＴｒ２，Ｔｒ３をＯＦＦとし、界磁電流制御装置７にトランジスタＴｒ１をＯＦＦとする指令を送る。これにより、トランジスタＴｒ１がＯＦＦとなり、界磁巻線３への界磁電流の給電が停止され、車両用交流発電機１による発電が停止される（ステップ２０２）。

トランジスタＴｒ１がＯＦＦとなると、大きな正の電圧がダイオードＤｉ１のアノード端子とトランジスタＴｒ１のコレクタ端子との接続点に発生する。この大きな電圧の発生は、界磁巻線３に流れる界磁電流を遮断することにより発生するサージ電圧であり、界磁巻線３に流れる界磁電流を遮断するトランジスタＴｒ１が昇圧手段となる。そして、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２，Ｔｒ３がＯＦＦとなり、ダイオードＤｉ２、コンデンサＣ１、ダイオードＤｉ３および界磁巻線３からなる充電回路が構成され、界磁巻線３に流れていた電流がダイオードＤｉ２を通ってコンデンサＣ１を蓄電される。これにより、界磁電流が急激に減少し、発電が速やかに停止される。

ついで、ステップ２０３に移行し、コンデンサＣ１の電圧Ｖａが所定の電圧Ｖ２より大きくなったか否かを判定する。そして、コンデンサＣ１の電圧Ｖａが所定の電圧Ｖ２以下であると判定すると、ステップ２０５に移行する。また、コンデンサＣ１の電圧Ｖａが所定の電圧Ｖ２より大きくなったと判定すると、ステップ２０４に移行し、トランジスタＴｒ２をＯＮとする。これにより、電流は、界磁巻線３とダイオードＤｉ１とトランジスタＴｒ２とから構成された環流防止回路を流れ、ダイオードＤｉ２を通ってコンデンサＣ１に流れ込まない。そこで、コンデンサＣ１の充電が停止される。ここで、電圧Ｖ２はコンデンサＣ１の耐圧Ｖｃ、または耐圧Ｖｃより僅かに低い電圧に設定される。

ついで、ステップ２０５に移行し、外部指令が発電開始指令であるか否かを判定する。そして、外部指令が発電開始指令でないと判定されると、ステップ２０３に戻る。また、外部指令が発電開始指令であると、ステップ２０６に移行し、トランジスタＴｒ３をＯＮとし、界磁電流制御装置７にトランジスタＴｒ１をＯＮとする指令を送る。これにより、トランジスタＴｒ１がＯＮとなり、界磁巻線３への界磁電流の給電が開始され、車両用交流発電機１による発電が開始される（ステップ２０７）。このとき、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ３がＯＮ状態となっているので、コンデンサＣ１の電圧とバッテリ８の電圧とを直列に接続した電圧が界磁巻線３に加わる。そして、コンデンサＣ１の電圧とバッテリ８の電圧とを直列に接続された電圧により、界磁電流が供給されるので、界磁巻線３に流れる界磁電流はバッテリ８の電圧のみの場合に比べて急激に立ち上がり、車両用交流発電機１が発電開始指令に対して即座に発電を開始し、ステップ２００に戻る。

コンデンサＣ１に蓄電されている電力は直ぐに放電されるが、その時点では、界磁巻線３に流れる界磁電流は立ち上がっており、十分な界磁電流が流れている。それ以降は、バッテリ８の電圧がダイオードＤｉ３を通って界磁巻線３に加えられる。

ここで、トランジスタＴｒ１を繰り返しＯＮ／ＯＦＦさせて界磁巻線３を流れる界磁電流の波形を測定した結果を図４に示す。なお、図４中、実線は本発電制御装置の場合の界磁電流波形を示し、点線は界磁電流制御装置７のみの場合（比較例）の界磁電流波形を示す。

比較例では、図４に点線で示すように、トランジスタＴｒ１のＯＮに対して、界磁電流は急峻に立ち上がらず、定常電流となるまでに時間がかかり、トランジスタＴｒ１のＯＦＦに対して、急峻に立ち下がらず、ゼロとなるまで時間がかかった。
本実施の形態１では、図４に実線で示すように、１回目のトランジスタＴｒ１のＯＮに対しては、比較例と同様に、界磁電流は急峻に立ち上がらず、定常電流となるまでに時間がかかったが、２回目以降のトランジスタＴｒ１のＯＮに対しては、界磁電流は急峻に立ち上がって定常電流となり、トランジスタＴｒ１のＯＦＦに対して、急峻に立ち下がってゼロとなった。

本実施の形態１において、１回目のトランジスタＴｒ１のＯＮに対しては、比較例と同様に、界磁電流は急峻に立ち上がらず、定常電流となるまでに時間がかかったが、これは、最初は、コンデンサＣ１が充電されていない状態であったことに起因する。２回目以降のトランジスタＴｒ１のＯＮに対しては、界磁電流は急峻に立ち上がって定常電流となっている。これは、コンデンサＣ１が充電されており、バッテリ８の電圧に加えて、コンデンサＣ１の高い電圧が界磁巻線３に供給されることによるものであることがわかる。

ここで、トランジスタＴｒ１のＯＦＦに対しては、急峻に立ち下がってゼロとなっている。これは、トランジスタＴｒ１をＯＦＦとしたときにダイオードＤｉ１のアノード端子とトランジスタＴｒ１のコレクタ端子との接続点に大きな電圧が発生し、界磁巻線３に流れていた電流がコンデンサＣ１に蓄電されることによるものであることが分かる。

このように、実施の形態１によれば、バッテリ８の電圧を昇圧する昇圧手段と、昇圧手段で昇圧された電圧を保持する電圧保持回路と、を備えているので、発電開始指令に対して、バッテリ８の電圧に加えて、電圧保持回路に保持されている電圧を界磁巻線３に加えることができ、界磁電流を瞬時に立ち上げることができる。これにより、車両走行中の発電開始指令に対して、瞬時に発電を開始できることになる。

昇圧手段が界磁巻線３に流れる界磁電流を遮断するトランジスタＴｒ１により構成されているので、昇圧用コイルを新たに配設する必要がなく、装置の小型化および低コスト化が図られる。
電圧保持回路がコンデンサＣ１とダイオードＤｉ２により構成されているので、電圧保持回路の構成が簡略化され、装置の小型化および低コスト化が図られる。また、界磁巻線３に流れる界磁電流を遮断することにより発生した電圧を用いてコンデンサＣ１を充電しているので、界磁電流の遮断動作に対して界磁電流を瞬時にゼロとすることができる。これにより、車両走行中の発電停止指令に対して、瞬時に発電を停止できることになる。

主制御装置１０がコンデンサＣ１の電圧Ｖａを監視し、電圧Ｖａが電圧Ｖ２を超えるとコンデンサＣ１が過充電されると判断し、トランジスタＴｒ２をＯＮとしている。これにより、電流は、界磁巻線３とダイオードＤｉ１からなる環流防止回路を流れ、コンデンサＣ１の更なる充電が阻止される。つまり、コンデンサＣ１の過充電が防止できるので、コンデンサＣ１の長寿命化が図られるとともに、コンデンサＣ１の耐圧を低く設定できる。

ここで、コンデンサＣ１の容量をＣ、耐圧をＶｃとすると、コンデンサＣ１に蓄えられる電気エネルギーの最大値は、（Ｃ×Ｖｃ^２）／２で表される。一方、界磁巻線３のインダクタンスをＬとし、最大界磁電流値をＩとすると、界磁巻線３に蓄えられる電気エネルギーの最大値は、（Ｌ×Ｉ^２）／２で表される。

そこで、充電時、コンデンサＣ１の電圧が耐圧Ｖｃを超えて破壊する事態を回避する観点から、コンデンサＣ１の容量（Ｃ）および耐圧（Ｖｃ）、界磁巻線３のインダクタンス（Ｌ）、最大界磁電流値（Ｉ）が、（Ｌ×Ｉ^２）＜（Ｃ×Ｖｃ^２）を満足するように構成されることが好ましい。これにより、界磁巻線３に蓄えられる電気エネルギーの最大値がコンデンサＣ１に蓄えられる電気エネルギーの最大値より小さくなるので、トランジスタＴｒ１の１回のＯＦＦ時におけるコンデンサＣ１の充電動作において、コンデンサＣ１の電圧が耐圧を超えるような事態、すなわちコンデンサＣ１が破壊される事態が未然に回避される。

また、コンデンサＣ１の充電動作前に、トランジスタＴｒ３をＯＮとしてコンデンサＣ１に蓄電されている電荷を放電させることにより、トランジスタＴｒ１のＯＦＦ時におけるコンデンサＣ１の充電動作中にコンデンサＣ１が破壊するように事態を確実に防止できる。

実施の形態２．
図５はこの発明の実施の形態２に係る車両用交流発電機の発電制御装置を示す回路図である。

この実施の形態２では、界磁巻線３への界磁電流の通電を制御するトランジスタＴｒ１が界磁巻線３のハイサイドに設置されている点を除いて、上記実施の形態１と同様に構成されている。

ここで、実施の形態２による発電制御装置の具体的な構成について図５を参照しつつ説明する。

界磁回路は、界磁巻線３と、トランジスタＴｒ１と、ダイオードＤｉ１と、を備えている。そして、界磁回路は、トランジスタＴｒ１のコレクタ端子が配線９に接続され、エミッタ端子がダイオードＤｉ１のカソード端子に接続され、ダイオードＤｉ１のアノード端子が配線１２を介して接地され、界磁巻線３がダイオードＤｉ１に並列に接続されて、構成されている。

昇圧保持回路は、コンデンサＣ１と、ダイオードＤｉ２と、を備えている。そして、電圧保持回路は、ダイオードＤｉ２のカソード端子がダイオードＤｉ１のカソード端子とトランジスタＴｒ１のエミッタ端子との接続点に接続され、ダイオードＤｉ２のアノード端子がコンデンサＣ１を介して接地されて、構成されている。
コンデンサ保護回路は、トランジスタＴｒ２と、ダイオードＤｉ１と、を備えている。そして、コンデンサ保護回路は、トランジスタＴｒ２のコレクタ端子が配線１２に接続され、エミッタ端子がダイオードＤｉ１のアノード端子に接続されて構成され、ベース端子に加わる主制御装置１０からの信号に応じて、ＯＮ／ＯＦＦされる。これにより、界磁巻線３は、直列に接続されたダイオードＤｉ１とトランジスタＴｒ２とに並列に接続される。

電圧放出回路は、トランジスタＴｒ３を備えている。そして、電圧放出回路は、トランジスタＴｒ３のエミッタ端子がダイオードＤｉ２のアノード端子とコンデンサＣ１との接続点に接続され、アノード端子が配線１２に接続されて構成され、ベース端子に加わる主制御装置１０からの信号に応じてＯＮ／ＯＦＦされる。
ダイオードＤｉ３は、電流が界磁巻線３から接地側に流れるように配線１２に配設され、コンデンサＣ１の逆流防止用として機能する。

このように構成された発電制御装置における界磁電流制御装置７および主制御装置１０は、図２および図３に示されるフローに基づいて動作するので、その特徴部分についてのみ説明する。

発電停止指令が入ると、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２，Ｔｒ３がＯＦＦとされる。そして、トランジスタＴｒ１がＯＦＦとなり、界磁巻線３に流れている界磁電流が遮断されることにより、大きな負の電圧がダイオードＤｉ１のカソード端子とトランジスタＴｒ１のエミッタ端子との接続点に発生する。また、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２，Ｔｒ３がＯＦＦとなることにより、コンデンサＣ１、ダイオードＤｉ２、界磁巻線３、ダイオードＤｉ３からなる充電回路が構成される。そこで、界磁巻線３に流れていた電流がダイオードＤｉ３を通ってコンデンサＣ１を蓄電される。これにより、界磁電流が急激に減少し、車両用交流発電機１による発電が発電停止指令に対応して即座に停止される。

ついで、発電開始指令が入ると、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ３がＯＮとされる。これにより、コンデンサＣ１、バッテリ８、トランジスタＴｒ１、界磁巻線３、トランジスタＴｒ３からなる回路が構成され、コンデンサＣ１とバッテリ８とが直列に接続される。そして、コンデンサＣ１の電圧とバッテリ８の電圧とが直列に接続された電圧により、界磁巻線３に流れる界磁電流が急激に立ち上がり、車両用交流発電機１による発電が発電開始指令に対して即座に開始される。

コンデンサＣ１の電圧Ｖａが所定の電圧Ｖ２より大きくなると、トランジスタＴｒ２がＯＮとされる。これにより、電流は、界磁巻線３とダイオードＤｉ１とトランジスタＴｒ２とから構成された環流防止回路を流れ、コンデンサＣ１に流れ込まない。そこで、コンデンサＣ１の過充電が回避される。

このように、この実施の形態２においても、上記実施の形態１と同様の効果を奏する。

１車両用交流発電機、３界磁巻線、７界磁電流制御装置、８バッテリ、１０主制御装置。

Claims

車両用交流発電機により発電された電力が給電されるバッテリと、
上記バッテリの電圧を昇圧する昇圧手段と、
コンデンサとダイオードとを備え、上記昇圧手段により昇圧された電圧を保持する電圧保持回路と、を備え、
上記昇圧手段は、上記界磁巻線に流れている界磁電流を遮断する手段であり、
上記電圧保持回路は、コンデンサと第１ダイオードとを有し、上記車両用交流発電機の発電を停止するために上記界磁巻線に流れている界磁電流を遮断した時に発生するサージ電圧を保持するように構成され、
上記車両用交流発電機の発電開始時、該車両用交流発電機の界磁巻線に上記電圧保持回路から界磁電流を供給する車両用交流発電機の発電制御装置において、
直列に接続されたトランジスタと第２ダイオードを上記界磁巻線に並列に接続して構成され、上記コンデンサの電圧が該コンデンサの耐圧より低い所定の電圧を超えると上記トランジスタが閉成されて、該コンデンサへの給電を停止させるコンデンサ保護回路を備えていることを特徴とする車両用交流発電機の発電制御装置。
上記コンデンサの容量をＣ、該コンデンサの耐圧をＶｃ、上記界磁巻線のインダクタンスをＬ、最大界磁電流をＩとしたときに、該コンデンサの容量および耐圧、上記界磁巻線のインダクタンス、および最大界磁電流が、（Ｌ×Ｉ^２）＜（Ｃ×Ｖｃ^２）を満足するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の車両用交流発電機の発電制御装置。
上記車両用交流発電機の発電を開始する指令および停止する指令が該車両用交流発電機の外部から供給されることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の車両用交流発電機の発電制御装置。